光纤与导光

光纤与导光展示了如何细如发丝的玻璃丝以光速传输全球互联网交通。一条半透明 3D 光纤显示了其高折射率内核心 (n₁)、低折射率外套层 (n₂)、入口接受锥和出口光电检测器。当学生拖动红色激光发射器或调节发射角时，连续激光束和一系列发光光子脉波会折射入核心端面，并以入射角 θᵢ 击中核心–套层墙。只要 θᵢ 保持在临界角 θc = arcsin(n₂/n₁) 以上，100% 的光在波导内部反射；如果将中间弯曲环拖得过锐，则会使局部入射角降到 θc 以下，并显现套层漏光。

• 在入口端上下拖动红色激光发射器，找到核心入射角 θᵢ 低于临界角 θc 并触发红色漏光线的精确发射角。
• 向上拖动金色中间环以弯曲光纤，并观察紧弯如何导致之前被羁留的光漏出到套层中。
• 将核心折射率 n₁ 从 1.50 提高到 1.80，同时保持套层折射率 n₂ 为 1.38，并随着数值孔径 (NA) 的增长观察绿色接受锥变宽。
• 将套层折射率 n₂ 提高至更接近 n₁，并观察临界角 θc 如何接近 90°，从而使得保持光羁留变得更加困难。
• 点击激光发射器或弯曲环以分别切换无损全内反射和套层漏光模式。

1. 1计算高折射率核心 (n₁) 与低折射率套层 (n₂) 之间界面的临界角 θc = arcsin(n₂ / n₁)。
2. 2说明全内反射所需的两个物理条件：光必须从高折射率传到低折射率（n₁ 超过 n₂）并以超过 θc 的 θᵢ 击中。
3. 3将光纤的数值孔径 NA = √(n₁² − n₂²) 与其最大接受锥角关联起来。
4. 4解释为什么光纤电缆中的宏观弯曲会导致信号衰减（弯曲损耗）。

教师常问的问题